在16世紀(jì)，斷骨由接骨師通過人手操作進(jìn)行復(fù)位。如果接骨師無法接上斷骨，那么當(dāng)?shù)氐蔫F匠就會(huì)“赤膊上陣”。今天，醫(yī)療發(fā)展日益進(jìn)步，我們再也不用擔(dān)心靠鐵匠來修復(fù)斷骨了。
雷尼紹高級醫(yī)療開發(fā)工程師Matt Parkes目前正與加拿大西安大略大學(xué)開展合作項(xiàng)目，他講述了智能植入體將如何改變骨疾病和骨損傷的治療方式。
自20世紀(jì)初，外科醫(yī)生便已將金屬植入體應(yīng)用于醫(yī)療修復(fù)與重建治療中，如骨關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等骨疾病的治療。這項(xiàng)技術(shù)雖然已有很長的應(yīng)用歷史，但傳統(tǒng)植入體往往會(huì)給患者和外科醫(yī)生帶來諸多挑戰(zhàn)。智能植入體是目前正在開發(fā)的一個(gè)新領(lǐng)域，它可以改善患者的治療效果，一舉將這項(xiàng)傳統(tǒng)外科技術(shù)帶入現(xiàn)代化時(shí)代。
植入體智能化可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：一是使用增材制造根據(jù)計(jì)算機(jī)斷層掃描 (CT) 數(shù)據(jù)來生產(chǎn)患者專用植入體 (PSI)，二是結(jié)合傳感器。內(nèi)置傳感器尚處于早期開發(fā)階段，它可采集特定患者的數(shù)據(jù)，讓外科醫(yī)生和其他醫(yī)護(hù)專業(yè)人員能夠根據(jù)患者的個(gè)性化需求定制治療方法。
傳統(tǒng)植入體帶來的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)植入體存在的主要挑戰(zhàn)之一是松動(dòng)問題，在關(guān)節(jié)置換手術(shù)后特別常見，這可能是由于骨整合(即植入體與患者骨骼的結(jié)構(gòu)和功能結(jié)合性)欠佳引起的。長期磨損會(huì)導(dǎo)致骨整合不佳，并且感染和未能嚴(yán)格遵循建議的理療方案等因素將加劇這一問題。
傳統(tǒng)金屬植入體的另一個(gè)局限性是，只能制造出有限形狀和尺寸的產(chǎn)品。因此，患者不太可能獲得完全適合自己的植入體。這會(huì)導(dǎo)致植入體生理功能欠佳并引發(fā)松動(dòng)。
生理功能較差也可能是因?yàn)閼?yīng)力遮擋(金屬植入體消除患者骨骼應(yīng)力的過程)所致。應(yīng)力遮擋會(huì)降低骨密度，骨骼將因此變得更加脆弱。
肥胖發(fā)病率上升是越來越多的年輕人需接受關(guān)節(jié)置換手術(shù)的原因之一。由于植入體均有使用期限，在患者一生中可能需要被置換多次，因而植入體的壽命問題受到人們關(guān)注。
為了解決這些問題，研究人員和工程師一直在使用增材制造 (AM) 等技術(shù)來開發(fā)植入體，旨在改善植入體的形狀、擬合度和功能。
增材制造
雖然增材制造技術(shù)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有十余年，但這項(xiàng)技術(shù)尚未發(fā)揮其全部潛能。
由于增材制造可逐層制造植入體，因此能夠生產(chǎn)出擬合度更精準(zhǔn)的PSI。與減材制造相比，這種制造方法在幾何形狀方面所受到的限制更少。醫(yī)療團(tuán)隊(duì)可根據(jù)患者的CT掃描結(jié)果設(shè)計(jì)和制造PSI，這有助于促進(jìn)植入體與患者骨骼結(jié)合，降低松動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。因此，患者遭受痛苦或需要修復(fù)手術(shù)的可能性會(huì)顯著降低。
增材制造不但能夠制造出精確的植入體形狀，還可以讓外科醫(yī)生控制材料的其他屬性。他們可以設(shè)計(jì)出模擬患者骨骼硬度、密度和骨小梁結(jié)構(gòu)的植入體，進(jìn)而減小應(yīng)力遮擋并進(jìn)一步改善骨整合和生理功能。
傳感器
植入體還可通過加入傳感器來實(shí)現(xiàn)智能化，有助于臨床醫(yī)生準(zhǔn)確測量患者數(shù)據(jù) — 這是循證醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵。傳感器可測量體溫作為參數(shù)，因?yàn)轶w溫升高表明可能發(fā)生了尚未表現(xiàn)出癥狀的感染。由于可在出現(xiàn)合并感染以及產(chǎn)生昂貴的治療費(fèi)用之前實(shí)施治療，因此醫(yī)患雙方均可從中受益。
傳感器也可以安裝到骨強(qiáng)化植入體中，以幫助骨折愈合。在此示例中，傳感器可以測量施加在植入體上的應(yīng)力，指示骨折愈合程度。外科醫(yī)生可以根據(jù)這些信息確定患者繼續(xù)接受下一階段治療的最佳時(shí)間，并且能夠比現(xiàn)在更早地發(fā)現(xiàn)治療問題。
如果患者不遵循物理療法，可能會(huì)導(dǎo)致植入體松動(dòng)，因此醫(yī)療團(tuán)隊(duì)需要相關(guān)技術(shù)來解決這一問題。安裝加速計(jì)監(jiān)測患者的運(yùn)動(dòng)情況，可使醫(yī)護(hù)專業(yè)人員遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)，確定患者是否遵循了醫(yī)生規(guī)定的物理療法和作息安排。
雷尼紹與加拿大西安大略大學(xué)合作建立的外科增材制造設(shè)計(jì)解決方案 (ADEISS) 中心便是專注于該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的機(jī)構(gòu)。ADEISS將臨床醫(yī)生和學(xué)者聚集在一起，開發(fā)創(chuàng)新型3D打印醫(yī)療設(shè)備。ADEISS最近展示了智能髖關(guān)節(jié)概念，使用體溫傳感器和加速計(jì)采集患者數(shù)據(jù)，隨后傳送給遠(yuǎn)程設(shè)備。
研究顯示，使用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，有可能開發(fā)出既能檢測感染，又能在出現(xiàn)癥狀之前分泌適量抗生素以治療感染的植入體。這一技術(shù)或可減少住院患者的人數(shù)。
為醫(yī)學(xué)界帶來翻天覆地的變化
開發(fā)智能植入體的最終動(dòng)力是顯著改善患者治療效果的潛能。增材制造具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中一大優(yōu)勢是可縮短擬合時(shí)間 — 這是患者和外科醫(yī)生的福音。與傳統(tǒng)金屬植入體相比，智能植入體可減輕患者的疼痛和不適感，降低因感染導(dǎo)致病情惡化的可能性，并且減少需要進(jìn)行修復(fù)手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，這對于年輕患者而言非常重要。
然而，智能植入體要實(shí)現(xiàn)廣泛的臨床應(yīng)用，仍有諸多挑戰(zhàn)需要克服。醫(yī)生必須進(jìn)行臨床研究，收集有關(guān)患者使用植入體的安全性及性能數(shù)據(jù)。所有這些都必須遵守歐盟醫(yī)療器材法規(guī)等相關(guān)規(guī)定。另一個(gè)關(guān)鍵因素是對智能植入體中個(gè)人數(shù)據(jù)的處理，以及醫(yī)療行業(yè)和臨床醫(yī)生如何使用這些數(shù)據(jù)。
從接骨師和鐵匠“暴力”治療的時(shí)代開始，骨疾病和骨損傷治療經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。而今，患者能夠使用根據(jù)個(gè)人需求專門設(shè)計(jì)的金屬植入體。具有開創(chuàng)精神的研究機(jī)構(gòu)正在克服重重困難，不斷改進(jìn)技術(shù);未來，增材制造和數(shù)據(jù)型智能植入體的市場需求勢必增加，患者和醫(yī)院的治療效果將會(huì)得到更大改善。
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